A Mosoni-Duna torkolatáthelyezésének és a kapcsolódó torkolati műtárgyak áramlástani vizsgálata

Átírás

1 0

2 AD STATUA KONZORCIUM BME VÍZÉPÍTÉSI ÉS VÍZGAZDÁLKODÁSI TANSZÉK A Mosoni-Duna torkolatáthelyezésének és a kapcsolódó torkolati műtárgyak áramlástani vizsgálata Összefoglaló augusztus Megbízó: Észak-dunántúli Vízügyi Igazgatóság A Mosoni-Duna torkolatáthelyezésének és a kapcsolódó torkolati műtárgyak áramlástani vizsgálata 1

3 TARTALOMJEGYZÉK 1 BEVEZETÉS 2 2 AZ EREDMÉNYEK ÖSSZEFOGLALÁSA Nagyléptékű 1D modellvizsgálatok D modellvizsgálatok célja Módszertan Numerikus modell D modellvizsgálatok legfontosabb eredményei Nagyléptékű 2D modellvizsgálatok D modellvizsgálatok célja Az alkalmazott modell A nagyléptékű 2D modellezés legfontosabb eredményei Nagyléptékű 3D modellvizsgálatok D modellvizsgálatok célja Az alkalmazott 3D modell A 3D modell legfontosabb eredményei 15 1

4 1 Bevezetés A hatásvizsgálat első lépéseként, a műtárgy tervezését támogatandó statisztikai elemzést hajtottunk végre a találkozó folyók hidrológiai adatain, hogy néhány mértékadónak tekintett együttállás előfordulási valószínűségét értékeljük. A tervezett torkolati mű két oldalán kialakuló vízállások és az átbocsájtandó vízhozam tartósságát valószínűségi alapon, 1D hidrodinamikai modellvizsgálatokkal határozzuk meg különböző rehabilitációs üzemvízszintek esetére. Valószínűségi eljárásunk alapját az ún. Monte-Carlo szimuláció képezi. Több ezer évnyi hidrológiai peremfeltétel-idősort generálunk úgy, hogy azoknak a statisztikai tulajdonságai többek között a vízhozam eloszlásfüggvénye, autokorrelációja, a befogadó és mellékfolyó árhullámainak egybeesése jól közelítsék a vízrajzi idősorokból kiolvashatókat. Ebben a fázisban stacioner állapotot feltételezünk, azaz az utóbbi évtizedekben megfigyelt hidrológiai viselkedést változatlanul vetítjük ki a jövőbe. Az érintett szakaszokra érkező vízhozamok vagy a szakaszon belüli lefolyási körülmények megváltozásának becslésével tehát nem számolunk. A valós vízrajzi állapotok méréseire igazolt hidrodinamikai modelltől elvárjuk, hogy erre a lehetséges, de meg nem történt gerjesztésre helyesen számolja az árhullámok összefolyását a Rábán és a Mosoni-Dunán. A torkolati mű vezérlése vázlatosan kerül az 1D modellbe: alacsonyabb Duna-szintnél a rehabilitációs üzemvízszint tartásához szükséges vízszállításra vannak állítva a zsiliptáblák, a Duna árvizei idején pedig teljesen zárnak. A hosszú szimulációs időszak a teljes vízjáték tartományában engedi kiértékelni a torkolati mű várható hatásait. A modellvizsgálatban közel ugyanolyan gyakorisággal és tetőző vízhozammal fordulnak elő egyidejű árvizek a Mosoni- Dunán és a Dunán, mint ahogy azt az utóbbi évtizedek vízrajzi idősoraiból megállapítható. A szélsőségekre, pl. a 100 éves visszatérési idejű árvízi állapotokra is adható becslés, persze ez legföljebb annyira lehet pontos, amennyire a 100 éves vízhozam értéke. A torkolati mű megépítésével a mű által duzzasztott térben megváltoznak az áramlási jellemzők, és ez a jelenség befolyásolni fogja a térség élőhely viszonyait is. A folyami élőhely áramlási szempontú jellemzésének egyik egyre szélesebb körben alkalmazott módja a vízmélység és a mélységátlagolt áramlási sebességek területi eloszlásainak elemzése. Az 1D modellel szemben a 2D és 3D modellek alkalmasak az áramlások területi változékonyságának kimutatására, ezért a környezeti hatásvizsgálat részeként az alábbiakban egy 2D modell alkalmazásával mutatjuk be néhány, ökológiai szempontból mértékadó hidrológiai eseményre a torkolati mű megépítésének hatását. Az elemzés során kis- és középvízi állapotra, két torkolati vízszint szint mellett az áramlási sebességek és vízmélységek eloszlását mutatjuk be térképeken. A 2D modellvizsgálatok másik feladataként szennyezőanyag elkeveredési vizsgálatokat is végrehajtunk. Ismert, hogy Győr környezetében a múltban több esetben előfordult halpusztulás a folyókba vezetett szennyezőanyag lokális feldúsulása miatt. Ugyan a közelmúltban a Győri Szennyvíztisztító átállt a biológiai tisztításra, jelentősen lecsökkentve a folyót érő szennyezőanyag terhelést, havária esetén a szennyvíztisztító helyén vagy a belvárosi csapadékvíz bevezetésnél nagycsapadék idején elérheti a befogadót jelentős szennyeződés. Ha a szennyezőanyag bejutása egybeesik kisebb dunai árhullámokkal, a szennyeződés az alvízi visszaduzzasztó hatás következtében nem kerül átöblítésre, és a lokális feldúsulás miatt környezeti károkat okozhat. A 2D modellezés segítségével azt vizsgáljuk, hogy a torkolati mű megfelelő üzemeltetésével a hasonló esetek elkerülhetők és biztosítható a folyórendszer alsó szakaszának hatékony átöblítése. Az előző nagyléptékű vizsgálatokon túlmenően részletes elemzéseket is végrehajtottunk, melyek fő céljaiként az alábbi pontokat fogalmaztuk meg: 2

5 - A torkolati mű hatásának kimutatása a dunai árvizek esetén a Duna vízszintjeire - Hajóút jellemzőinek vizsgálata: vízfelszín közeli áramlási sebességek a hajóútban, keresztirányú áramlások jellemzése - A tervezett műtárgyrészek méretének, alakjának ellenőrzése, pontosítása különös tekintettel az utófenékre és energiatörő berendezésekre - A vízszintszabályozó műtárgyak és a hajózsilip vízátbocsátó képességének meghatározása különböző állapotokra (teljesen nyitott, gáttábla alatti átfolyás, szabad/alulról befolyásolt átfolyás) - A torkolati műtárgy általános elrendezését ellenőrző vizsgálatok: áramlási sebességek térbeli eloszlása, esetleges kimosódások, lerakódások helye, mértéke - A vízszintszabályozó műtárgyak üzemeltetését támogató szoftver fejlesztése - A műtárgy kalibrációs tervének elkészítése A vizsgálatokhoz számítógépes és kisminta modelleket alkalmazunk, továbbá elméleti műtárgyhidraulikai számításokat. A számítógépes modellnél háromféle eljárást alkalmazunk: i) egy nagyléptékű 2D áramlási modellt, amely a torkolati mű dunai árvizek esetén kialakuló hatásai elemzi; ii) egy nagyléptékű, a Duna és Mosoni-Duna csatlakozó felvízi és alvízi szakaszait magába foglaló 3D numerikus modellt, ami elsősorban a torkolat áthelyezésének következtében megváltozó áramlási viszonyokat és a hordalékvándorlást szimulálja; iii) kisléptékű, a vízszintszabályozó műtárgy és a hajózsilip körüli áramlások részletes vizsgálatát célzó nagyfelbontású 3D modell, ami képes a komplex szabadfelszínű áramlások és vízugrás számítására. A kisminta modellezés szintén a mű közvetlen környezetének vizsgálatára összpontosít, azon belül is az utófenék és az energiatörő berendezések kialakításának támogatására. 3

6 2 Az eredmények összefoglalása 2.1 Nagyléptékű 1D modellvizsgálatok D modellvizsgálatok célja A torkolati mű akkor nevezhető eredményesnek, ha a Mosoni-Dunának a Duna által befolyásolt szakaszán megbízhatóan képes a referenciaállapotnak megfelelő kis- és középvízi vízjárást visszaállítani, amit gyakorlatilag duzzasztással ér el. Emellett az a Duna árvizeit nagy valószínűséggel kizárja és ezáltal a Mosoni-Duna alsó ártéri öblözeteiben az árvízi kockázatot jelentősen csökkenti. A tervezés arra törekszik, hogy a műtárgy a funkcióit nagy valószínűséggel, a körülményekre kevéssé érzékenyen betöltse. Az itt bemutatott 1D modellvizsgálat célja, hogy ezt a következő kérdések megválaszolásával támogassa: Milyen valószínűséggel állnak elő vízszint-kombinációk a műtárgy két oldalán, adott üzemvízszint és vízszállító-képesség esetén? Milyen hatása van a torkolati mű üzemeltetésének a vízállásokra a duzzasztással és az árvizek kizárásával érintett folyószakaszokon? Módszertan A torkolati mű környezetében kialakuló vízszinteket, az átvezetendő vízhozamokat különböző vízszint-rehabilitációs üzemvízszintek mellett olyan valószínűségi eljárással elemezzük, ahol a Duna, a Mosoni-Duna és a műre hatással lévő mellékfolyók állapotai a múltban megfigyelt gyakorisággal esnek egybe. Nempermanens 1D hidrodinamikai modellezéssel számítjuk az árhullámok lefolyását és kölcsönhatását, valamint a torkolati mű szabályozásának hatását. A modell pontosságát múltbeli árhullámok modellezésével igazoljuk. Azért nem 2D vagy 3D modellezést választottunk, mert a hatásoknak a hossz menti eloszlására irányul ez a vizsgálat. Másrészt a többdimenziós modellek számításigénye nem is tette volna lehetővé a valószínűségi elemzést, hanem csak kiragadott események vizsgálatát. Az 1D modelltől nem követeljük meg a tervezett műtárgy környezetének részletes és pontos leírását. A hidraulikai változók valószínűségét Monte Carlo szimulációval becsüljük meg. Ehhez több ezer évnyi mesterséges, de valószerű vízhozam-idősort gyártunk a befolyási peremekhez, napi felbontással. A napi vízhozamok alakulását egy véletlenszerű és determinisztikus elemeket is tartalmazó Markov-lánc folyamattal írjuk le, figyelembe véve a peremek közötti statisztikai összefüggéseket is. Az közötti időszak napi vízrajzi vízhozam-idősoraiból a következő statisztikai mutatók betartására törekszünk: A napi vízhozamok tartóssági függvénye, átlaga Az éves maximális vízhozamok tartóssági függvénye A napi vízhozamok keresztkorrelációja a befogadóéval A napi vízhozamok autokorrelációs függvénye A több ezer évnyi idősor mindenféle árhullám-kombinációnak teret ad, mégpedig olyan valószínűséggel, amely összhangban van a vízrajzi idősorokból megbecsülttel. Ritkán olyan szélsőséges hidrológiai helyzetek is kialakulhatnak a generált idősorok szerint, amelyekre a múltban még nem volt példa. Éppen ezért nyújt többet a Monte Carlo szimuláció annál, mintha az elmúlt évtizedek tényleges idősoraival rekonstruálnánk azt, hogy a torkolati mű mennyire lett volna hatásos. De a generált idősorok se tartalmaznak több információt azoknál a vízrajzi idősoroknál, amelyek statisztikai mutatóit utánozzák, csupán kiterjesztik a mintázás 4

7 darabszámát. És, mint minden extrapoláció, ez is bizonytalanabbá válik akkor, amikor kilép a mért vízhozam-tartományból Numerikus modell A HEC-RAS egy 1D folyami áramlásmodellező szoftver, amelyet az Amerikai Hadsereg Mérnökhadtestje (US Army Corps of Engineers) évtizedek óta fejleszt és nemzetközileg az egyik legismertebb ilyen szoftver (HEC-RAS 2010). Alkalmas a Mosoni-Duna torkolata körüli folyórendszer modellezésére, mivel lehetőséget kínál fenékküszöbök, hidak, és átereszek leképzésére. Geometriai adatként a keresztszelvények alakját és azok távolságát, valamint a műtárgyak meghatározó méreteit adjuk meg, és ezekhez hidraulikai paramétereket (érdességet, veszteségtényezőket ) rendelünk. Az árhullámokat a peremfeltételeken keresztül engedjük be a modelltartományba. Mivel a torkolati mű hatásait a peremfeltételekben nem vesszük figyelembe, ezért olyan nagy távolságra vettük föl a peremeket, hogy a műtárgy hatásai ott már ne jelentkezhessenek. Ennek eredménye az is, hogy a mű által beduzzasztott folyószakaszokon a hidrodinamikai alapegyenletek szerint alakulnak a vízszintek és vízhozamok, az idősor-modellezéssel generált peremfeltételeknek pedig csak a közvetett hatásuk érvényesül. Az 1D modell a Mosoni-Duna, a Duna, a Rába és a Marcal szakaszait tartalmazza. A peremek helyei: Duna: fent a Medve/Vámosszabadi vízmérce-szelvény (1806,0 fkm), lent pedig Komárom vízmérce-szelvény a Vág befolyása felett (1768,4 fkm), illetve a múltbeli árhullámok vizsgálatához a rendelkezésre álló adatsoroknak megfelelően kiterjesztve Dunaalmásig vagy Esztergomig. Mosoni-Duna: Mosonmagyaróvári duzzasztó alvize (82,7 fkm) Rába: Árpás vízmérce-szelvény (29,0 fkm) Marcal: Mórichida vízmérce-szelvény (17,8 fkm) A modellben nem külön ággal jelenik meg az árvízkapuval lezárt Rábca, hanem a torkolata helyén pontszerű vízhozam-bevezetésként a Mosoni-Dunába. A többi kisebb vízfolyást hatása a torkolati műre elhanyagolható a bizonytalanságokhoz képest, ezért ezeknek a vízhozamát és tározótérfogatát sem vettük figyelembe. 5

8 1. ábra Az 1D modell átnézeti helyszínrajza a modellezett folyószakaszok ágaival és a számítási keresztszelvények kiosztásával D modellvizsgálatok legfontosabb eredményei 1) A bögében a torkolati művel a vízszintet megbízhatóan a kívánt rehabilitációs szint fölött lehet tartani kis vízhozam esetén is. A torkolati mű nélkül a vízszint az idő mintegy 40%-ában 108,0 mbf rehabilitációs szint alatt maradna, és 80%-ában a 109,3 mbf szint alatt. Más szóval ennek a kisvízi ill. középvízi rehabilitációs vízszintnek a tartásához 40% ill. 80% tartóssággal duzzasztani kell. 6

9 1 Mosoni-Duna - Torkolati mű fv p(z*<z) mű nélkül z=108,0 mbf duzz. z=109,3 mbf duzz z, [mbf] 2. ábra A Mosoni-Duna torkolatában, a tervezett torkolati mű felvízi szelvényében kialakuló vízszint modellezett tapasztalati eloszlásfüggvénye a torkolati mű nélkül ill. torkolati művel, z = 109,3 mbf valamint 108,0 mbf rehabilitációs üzemvízszint feltételezésével. 2) A torkolat áthelyezése 800 méterre fölfelé önmagában is azt eredményezi, hogy a Mosoni-Duna felszíngörbéje mintegy 8 cm-rel magasabban csatlakozna be a Dunáéba kis és közepes vízhozam mellett. Ha azonban az árvíz bármelyik folyón kilép a hullámtérre, a bal hullámtérre tervezett védtöltés a jelenleginél lejjebb tolja a két folyó vízszintjének az összekapcsolódását és ez a Mosoni-Dunán kb. 3 cm-rel alacsonyabb szintet eredményez. Ezt a változást azonban megfordítja a torkolati mű átbocsájtott vízhozamtól függő önduzzasztása. 3) A zsiliptáblák zárásával Győr belvárosában várhatóan 0,55 m-rel csökkenthető a 100 éves árvízszint, a 10 éves pedig 0,35 m-rel, függetlenül a rehabilitációs üzemvízszinttől. Ez az állítás az évi 1 ill. 3 százalékos meghaladási valószínűséggel bekövetkező árvizekre gyakorolt hatás várható értékére vonatkozik. 4) Ez az eredmény automatikusan figyelembe veszi azt is, hogy a Mosoni-Dunán levonuló árhullámok duzzasztva, meredekebb felszínesés árán jutnak át a torkolati mű nyílásain, mivel azok a mostani mederhez képest jelentős mértékben leszűkítik a keresztmetszetet. Ha alacsonyabb a Duna, akkor a Mosoni-Duna NQ 1% -os árhulláma a torkolati mű szűkítése mellett is könnyedén, a MÁSZ alatt kb. 3,5 méterrel tetőzve jut ki a Dunába. A nagy dunai és mosoni-dunai árvizek pedig olyan ritkán esnek egybe, hogy a 100 éves győri árvízszintekben mégis a följebb leírt 0,55 méteres csökkenés lesz az uralkodó. Lesznek kivételesen olyan hidrológiai helyzetek, mint pl. az 1965-ös, amelyeknél a Mosoni-Duna és a Duna rendkívüli árvizei egybeesnek és a böge nem képes zárt zsiliptáblák mellett biztonságosan befogadni a Mosoni-Duna víztömegét. A kérdés az, hogy a legutóbbi felülvizsgálat eredményeképp mintegy 0,8 m-rel megemelt MÁSZ miatt a Mosoni-Duna, a Rába és a Marcal alsó szakaszán szükségessé vált töltésfejlesztést kiváltja-e az árvízkapus megoldás. Összefoglalóan 7

10 Vág dz_max, [m] Mosoni-Duna megállapítható, hogy NQ1%-os dunai árvíz esetén igen kicsi valószínűséggel adódhat olyan hidrológiai helyzet, amikor a torkolati műtárgy nem működtethető árvízkapuként, azaz nem nyújtja ugyanazt a biztonságot, mint egy, az új előírásoknak megfelelően megemelt árvízvédelmi töltés. Ugyanakkor a tervezett mű általában csökkenti a rendkívüli árvízszinteket, az árvízi kockázatot és ennek megfelelően mérséklődnek a várható védekezési költségek is. Továbbá az árvízi kockázat csökkentése lehetővé teszi a töltésfejlesztés hosszabb időhorizont figyelembevételével történő megvalósítását. 5) A zsiliptáblák árvízi zárása esetén (de a torkolati mű szűk keresztmetszete miatt is) csökkenne a Duna hullámtéri tározótérfogata és az árhullámai kevésbé lapulnának el a Mosoni-Duna térségében. Gönyűnél a Duna 100 éves árvízi hozama 2,5 százalékkal nőne, az ehhez tartozó vízszint pedig 0,07 m-rel emelkedne. Ez a romlás a felvíz irányában mintegy 30 fkm, az alvíz irányában pedig mintegy 50 fkm távolságban csökkenne fokozatosan 1 cm alá. A 33 éves visszatérési idejű árvizeknél már elhanyagolható a torkolati mű hatása a Duna tetőzésére. 6) A Mosoni-Duna bögéje szükségtározóként, tervezetten megnyitva hatásosan alkalmazható a Duna árvízszintjeinek apasztására akkor, amikor a Mosoni-Duna mellékfolyóin egyúttal kis vízhozam érkezik. Ennek persze vannak ésszerű korlátai, pl. ne történjen ez Győr árvízi kockázatának aránytalan rovására. Az árapasztásfunkciót ebben a munkában valószínűségi elven nem elemeztük, a kiválasztott egyetlen NQ1%-os árhullámmal kapott eredmények csak arra a hidrológiai helyzetre engednek betekintést. 0.3 dz (nincs ap.) dz (Q_v = 10200) dz (Q_v = 10100) dz (Q_v = 10000) dz (Q_v = 9800) dz (Q_v = 9000) Duna fkm ábra A Duna tetőző vízszintjeinek megváltozása a jelenlegi állapothoz képest az NQ1%-osra nagyított 2013-as árhullám idején, az árapasztás Q v vágási vízhozama függvényében (a Duna 1793,75 fkm szelvényében értelmezve). 8

11 2.2 Nagyléptékű 2D modellvizsgálatok D modellvizsgálatok célja A tervezett torkolat áthelyezés és a mű megépítése a Mosoni-Duna mentén a MÁSZ fölötti koronaszinttel rendelkező töltések kiépítésével is jár. A jelen állapothoz képest ez a Duna hullámterének bizonyos mértékű szűkítését okozza, ami mértékadó árvízi állapotban a jelenlegihez képest magasabb tetőző vízszinthez vezethet a Dunában. Emellett további negatív hatást fejthet ki a tetőző vízszintekre az, hogy a tervezett műtárgy árvízkapu funkciójával dunai árvíz esetén a Mosoni-Duna felé való visszaáramlás megszűnik, így a Mosoni-Duna bögéjének természetes árapasztó hatása sem érvényesül továbbá. A jelenséget a torkolati mű hidrológiai és 1D áramlástani vizsgálatai során már elemeztük, ahol a 100 éves előfordulási valószínűségű árvíz során a vízszintnövekmény mértékére a statisztikai alapú vizsgálatokkal 7 cm-t kaptunk. Az alábbiakban azt vizsgáljuk, hogy az 1D modellhez képest részletesebb leírást alkalmazó 2D modellel a vízszintnövekmény hogyan alakul, alátámasztandó a megelőző vizsgálatban kapott eredményeket Az alkalmazott modell Az árvízi lefolyás modellezéséhez a SRH-2D v2.2 szoftvert alkalmaztuk. A modell a vízmozgást a Reynolds-átlagolt sekélyvízi egyenletekkel írja le, ami eredményként a vízmélység és a mélységátlagolt sebességmezőt szolgáltatja a rácselemekre kiátlagolva. A 2D árvízi modell számítási tartománya a Medvei-híd szelvényétől közel a Zsidó-szigetig (1806,4 1784,9 fkm) terjed és tartalmazza a Mosoni-Duna 10 fkm hosszú torkolati szakaszát is. A modellbe a legfrissebb felmérések kerültek be a medrekről és a terepről. A terepmodellt 5 m felbontású raszterként állítottuk elő. A tervezett műtárgyat környezetét külön terepként kezeltük. Oldalsó határt a fővédvonal ill. a jobb part nagyobb részén a magaspart képez. A területhasználatot az ortofotók alapján vittük be. A folyószakasz számítási rácshálója rugalmasan illeszkedik a medrekhez, a vonalas műtárgyakhoz és a belső simasági határokhoz vagyis a területhasználatokhoz. Ennek a térbeli felbontása a hullámtéren átlagosan 50 m-es, a medrekben, a töltések és a sarkantyúk mentén hosszirányban 50 m, keresztirányban pedig 7 20 m. A torkolati mű közelében a felbontás 4 m-re növekszik. 4. ábra A teljes modellezett terület számítási hálója. 9

12 5. ábra A torkolati mű környezetének számítási hálója és a domborzati viszonyai A nagyléptékű 2D modellezés legfontosabb eredményei Permanens állapot modellezésével értékeltük ki a mértékadó árvíz tetőzését. A Mosoni-Duna torkolata két alszakaszra osztja a teljes szakaszt. A peremfeltételek meghatározásakor az NQ 1% -os hozamokat úgy határoztuk meg, mint azt korábban tettük a nagyvízi mederkezelési tervezés során. Mindkét alszakaszra a MÁSZ NQ 1% hossz-szelvényéből lineáris interpolációval számoltunk átlagot, majd a peremeken úgy adtuk meg a befolyó vízhozamot, hogy a helyi átlagos NQ 1% vízhozamot érjük el az alszakaszokon. A kifolyásnál megadott vízszintet a nagyvízi mederkezelési szimuláció során meghatározott felszíngörbéről olvastuk le. Felhívjuk a figyelmet arra, hogy a Mosoni-Dunán ez esetben a maximális visszaáramláshoz kapcsolódó 336 m 3 /s vízhozamot definiáltuk. Ez az érték megfelel a mértékadó állapotban előforduló legnagyobb vízhozamnak, jóllehet az árhullám dinamikáját is szem előtt tartva nem egy időben jelentkezik a dunai tetőzéssel. Permanens modellezési eljárás lévén tehát a vizsgálatoknál egy szélsőséges esetet feltételeztünk, amivel a tetőző vízszintekre a jelen állapotra vonatkozóan egy alulbecslést adunk. A tervezett állapottal való összevetés során amikor is a jelen állapothoz képesti különbségeket vizsgáljuk így a mű által okozott vízszintnövekményt felülbecsüljük. A torkolati mű, mint árvízkapu használatával a dunai árvízszintek kismértékű emelkedésére lehet számítani. Egyrészről az árvízkapu lezárásával a Mosoni-Dunába visszafolyó vízhozammal nem apasztódik a dunai vízhozam, illetve a műtárgy leszűkíti a Duna jobb parti hullámterét és csökkenti a levezetéshez rendelkezésre álló szelvényterületet. E két hatás összesen maximálisan 1,5 dm-re emeli meg a vízszintet. Ez a maximum a műtárgy közvetlen környezetében jelentkezik, míg a szemközti, bal hullámtéren ez 12 cm-re csökken (lásd az alábbi ábrát). 10

13 6. ábra A tervezett műtárgy hatására kialakuló vízszintemelkedés a jelenlegi vízszintekhez képest a Mosoni-Duna torkolatának környezetében NQ1%-os vízhozam esetében. A műtárgyat beépítve két szimulációt végeztünk a torkolati mű dunai árvízszintekre kifejtett hatásának feltérképezésére. Az első már bemutatott esetben a tervezett árvízkapu üzemel, míg a második esetben nem, vagyis az utóbbi szimuláció során a Mosoni-Duna medrét, mint árvízcsúcs-csökkentő tározót kihasználjuk. Ezt a vizsgálatot annak érdekében végeztük el, hogy meghatározzuk a műtárgy megépülésével csupán magának a Duna hullámterének leszűkülése milyen duzzasztást okoz. A vízszintemelkedés a jelenlegi állapothoz képest ekkor mindössze 4 cm a műtárgy környezetében és 2 cm körüli a befolyási szelvényben (ábrák). Az alvízi hatás elhanyagolható. Összességében ez azt jelenti, hogy a felvízi irányban, teljes keresztszelvényben jelentkező 12 cm-es vízszintnövekedés jelentősebb hányadért (~8 cm) az árvízkapu üzembe helyezése, míg kisebb részért (~4 cm) a műtárggyal leszűkített dunai hullámtér a felelős. 11

14 7. ábra A tervezett műtárgy hatására kialakuló vízszintemelkedés a jelenlegi vízszintekhez képest a vizsgálat teljes szakaszán (1806,4 1784,9 fkm) NQ 1% -os vízhozam esetében ha az árvízkapu nem üzemel. A 2D modellvizsgálatok során kapott eredmények a peremfeltételek ismertetésénél leírtak szerint tehát kvázi-permanens állapotokra vonatkoznak, hosszan elnyúló tetőzést feltételeznek. Azzal, hogy a jelen állapotra hasonló feltétellel, de magas tulajdonképpen a maximális vízhozamú Mosoni-Duna visszaáramlással végeztük a szimulációt és ezzel azt feltételeztük, hogy a dunai árhullám tetőzése és az igen jelentős Mosoni-dunai visszaáramlás időben egybeesik, a kapott 15 cm körül maximális vízszintnövekményt egy maximális értéknek, szélsőértéknek kell tekinteni. A mértékadó állapotban kialakuló vízszintnövekmény a jelen állapothoz képest a megalapozó 1D modellvizsgálatoknál kapott 7 cm és az itt kapott 15 cm között várható, mivel előbbi az árhullámok dinamikáját megfelelően írja le, de a térbeli leírása kevésbé pontos, míg a 2D modell az előbb leírtak szerint egy szélsőérték. A várható hatás tehát egy deciméter körül várható. A 2D modellezés eredményei emellett összehasonlítási alapként, vagy referenciaként szolgálnak a Nagyvízi Mederkezelési Tervek (NMT) során kapott modelleredményekhez, ahol ugyanilyen feltételek mellett vizsgálták a főmedri és hullámtéri beavatkozások hatását. A 2D modellel számított eredmények tehát célszerűen együtt vizsgálandók az NMT eredményekkel abból a célból, hogy a torkolati mű dunai árvizek tetőző állapotára kapott kedvezőtlen hatásának kompenzációs lehetőségeit értékelhessük. Az Erebe és a Gönyűi-mellékágak környezetében végrehajtott növényzettisztítás számottevő levezetőképesség-növekedést nem eredményezett, ellentétben a Véneki sziget takarításával. Utóbbival 10 cm körüli vízszintsüllyedést lehet elérni. A geometriai beavatkozásokat tekintve az Erebe-mellékágban előirányzott mederkotrással mindössze fél dm-es vízszintsüllyesztés érhető el. A Véneki-mellékág kotrása hasonló eredményt hozott, a vízszinteket nem képes érdemben süllyeszteni. A felszerkesztett hossz-szelvényről azonban jól leolvasható, hogy utóbbi beavatkozás hatása a sziget takarításával együttesen képes majd 20 cm-es vízszintcsökkenést előidézni. 12

15 8. ábra A Nagyvízi Mederkezelési Tervek készítésénél végzett vizsgálatok eredményei. (Értelmezés: Terv érd.: simasági együttható megváltozásával járó beavatkozások (mint pl. növényzettisztítás); Terv geom.: a meder- illetve hullámtér-geometriájának megváltozását eredményező beavatkozások (mint, pl. mellékágkotrás); Terv érd. + geom.: mindkettő érvényre jutásával kialakuló hatások) Igazolható tehát, hogy az előirányzott nagyvízi mederbeli beavatkozásokkal hasonló, sőt akár nagyobb mértékű vízszintcsökkentés érhető el, mint a torkolati mű okozta vízszintnövekedés. A torkolati mű jövőbeli hatásainak bemutatásakor így az NMT-ben kapott eredményekkel együtt összességében nem várható a jelenleginél kedvezőtlenebb hatás. 13

16 2.3 Nagyléptékű 3D modellvizsgálatok D modellvizsgálatok célja A vizsgálatok célja, hogy a torkolat áthelyezésével megváltozó áramlási viszonyokat a műtárgyak közvetlen hatásterületén feltárja. Mértékadó vízjárási állapotként a Mosoni-Duna felől érkező nagy- és árvízi viszonyokat tekintjük, mert a Duna áramképére ilyen esetekben lesz a legjelentősebb az áthelyezett torkolat hatása. Vizsgáljuk a jelentősebb műtárgyak közvetlen hatását a Duna főmedrében, tekintettel az áramlási viszonyok alakulására, kedvezőtlen áramlási terek feltárására, figyelemmel továbbá a hajózást befolyásoló áramlási viszonyokra is Az alkalmazott 3D modell Vizsgálatainkhoz a SSIIM nevű 3D áramlási és hordaléktranszport modellt alkalmaztuk. A modell a Duna fkm közötti szakaszát és a Mosoni-Duna kb. 3 km-es torkolati szakaszát foglalja magába. A modell adottságaihoz alkalmazkodva a vizsgált tartományt egy görbevonalú, strukturált rácshálóval képeztük le, aminek rácsvonalait a geometriai törésvonalakhoz illesztettük úgy, mint: partvonalak, töltésvonalak, folyószabályozási művek kontúrvonalai, stb. A cellák száma hosszirányban 602, keresztirányban 272, függőlegesen pedig változó, a legmélyebb zónákban 20 réteg volt. A cellák tipikus felbontása hosszirányban 6 m, keresztirányban 3 m, de lokális finomítást alkalmaztunk geometriai szempontból változatos helyeken és a torkolati szakaszon, ahol a vizsgálat tárgya nagyobb pontosságot követelt meg. 9. ábra A nagyléptékű 3D digitális medermodellje. 14

17 10. ábra Tervezett állapot digitális terepmodellje és a műtárgyra illesztett rácsháló részlete A 3D modell legfontosabb eredményei 1. A műtárgy önduzzasztása dunai árvíz és egy 50%-os előfordulási valószínűségű Mosoni- Duna árhullám egybeesése esetén a jelentős alvízi visszahatás és a Mosoni-Dunában ennek eredményeképpen lecsökkenő áramlási sebességek miatt 5 cm alatt marad. 11. ábra A Dunán és Mosoni-Dunán (kétévente előforduló) egyszerre érkező árvizek tetőzésénél kialakuló vízszintek a torkolati mű közvetlen környezetében (Q Duna = 9500 m 3 /s, Q MD = 250 m 3 /s) 15

18 2. Az új torkolat Dunai áramlási irányt módosító hatása lokális, a jelenlegi és az új torkolat közötti szakaszon viszont a hajózóútban jelentős sebességnövekedéssel kell számolni árvízi Mosoni-Duna (Rába) vízhozamok esetén. 12. ábra A torkolatáthelyezés hatására megváltozó vízfelszín közeli áramlási sebességvektorok (Q Duna = 1100 m 3 /s, Q MD = 387 m 3 /s), piros: jelen állapot, fekete: tervezett állapot 16

19 3. A torkolati műtárgyaknál a 100 éves előfordulási idejű Mosoni-Duna (Rába) árvíz átvezetése során lokálisan 10 m/s-ot is elérhet az áramlási sebesség, a műtárgy alvízi szakaszán a torkolatig pedig 2-4 m/s közötti legnagyobb sebességek alakulhatnak ki. 13. ábra Vízfelszín közeli sebességmező az új torkolat környezetében (Q Duna = 2200 m 3 /s, Q MD = 610 m 3 /s) 4. Árvízi (Rába) viszonyok mellett a torkolati mű burkolt utófeneke utáni szakaszon lokális medermélyülés alakulhat ki, aminek mélysége méteres nagyságrendű. A kopolyából elmosott anyag közvetlenül a kimélyülés után lerakódik egy új egyensúlyi állapotban. Az új torkolat dunai csatlakozásánál lépcsős kialakítás esetén a meder visszarágódása indulhat el. 14. ábra Egy hetes Rába árvíz hatására várható mederváltozások a torkolati mű környezetében (Q Duna = 2200 m 3 /s, Q MD = 387 m 3 /s) 17

20 5. A hordalékban gazdag Rába árvíz érkezése esetén a Dunába érkező hordalékcsóva a jobb parthoz szorul és a medencés kikötő bejáratánál, az ott kialakuló intenzív visszaforgó áramlások hatására a kikötő bejáratának néhány száz méteres környezetében hordaléklerakódást eredményez. Hasonlóan a kikötő jelenlegi állapotához fenntartó kotrások előirányozása szükséges. 15. ábra A hordalékban gazdag Rába árvíz hatására kialakuló hordalékcsóva az áthelyezett torkolat környezetében (Q Duna = 2200 m 3 /s, Q MD = 387 m 3 /s) 6. A munkagödör köré építendő ideiglenes körtöltés dunai árvíz esetén lokális (néhány tíz méteres hatótávolságú) önduzzasztást okoz, aminek mértéke 10 cm alatt marad. 16. ábra A munkagödör környezetében kialakuló tetőző vízszintek megváltozása a jelen állapothoz képest, 9500 m 3 /sos vízhozamú dunai árvíz esetén 18